1、1,空調負荷計算理論及降低空調負荷,國立台北科技大學能源與冷凍空調工程系蔡尤溪,參考書籍,2,本講稿資料部份取自ASHRAE Handbook Fundamentals, 2005McQuiston, Parker and Spitler, Heating, Ventilating, and Air Conditioning, 6th edition, Wiley, 2005,3,講習內容,空調負荷影響因子概說建築隔熱計算太陽輻射熱計算空調負荷熱平衡概論RTS法解析北科大RTS1軟體操作計算演習,4,空調負荷影響因子概說,5,5/73,空調負荷計算之考量,空調負荷計算設計日逐時負荷 主機選用及
2、配置 合理空調需求之評估考慮建築儲熱效應，如厚實建築冬暖夏涼尖峰空調負載較小空調負荷受建築使用時間影響，內部負荷與外氣之排程Scheduling)需於計算前擬定每個空間也不同負荷如外周區較內周區熱，需各別計算(東邊早上熱西邊下午熱)，不可將各別空間最高負荷相加,6,空調負荷分類,空調負荷主要有三個來源：建築外殼(外牆及開窗熱傳導及輻射)室內負荷(人、照明、設備散熱等)外氣通風負荷(室內外溫濕度差),7,熱得 熱負荷,建築量體熱儲存效應輕型建築負荷較接近瞬間熱得,瞬間進入室內之熱量,造成室內空氣溫濕度變化,熱得分為對流與輻射,8,定義對流瞬間造成溫濕度上升輻射熱儲存後再對流釋熱,瞬間熱得,空調機
3、移除熱,對流熱成瞬間熱負荷,儲存於建構及室內物品,如照明空調負荷-部份為輻射熱得,9,空調負荷,儲存熱,關燈後之空調負荷,如繼續開燈空調負荷,降低空調負荷影響因子簡要,10,降低建築外殼熱負荷 外牆隔熱、適當開窗、減少太陽熱輻射室內負荷 照明節能、減少設備用電等外氣通風負荷(適當外氣量控制),尖峰空調負載案例台北辦公,11,外殼(屋頂、玻璃輻射、玻璃傳導、外牆、隔間牆)共33%內部負荷(燈、人員、辦公器具、風車)共40%外氣負荷 27%,空調負荷計算程序,12,至少包含以下內容：設計基準日之逐時空調負荷計算。計算之輸入參數應包含人員密度、照明用電密 度、各項設備用電密度、溫度設定值、各項室 內
4、熱負荷等必要之室內熱獲得計算。顯熱及潛熱負荷計算應包含各項建築外殼熱獲 得與室內設備與人員發散熱，並應考慮建築體 之熱質量效應之影響。,節能之室外設計條件,13,(取全年0.4%最高發生率),設計日室外之逐時氣溫,14,24小時溫度變化以近似正弦變化計算設計溫度 DR百分比 DRDR值可取6，溫度最低在5時(100%)最高在15時(0%)。,室內最小外氣量(通風量),15,註：可用最小外氣量每人8.5L/s(每秒公升)或其他相關規範或標準如建築技術規則及美國ASHRAE 62.1標準上表參考加州及新加坡規範值,16,建築隔熱計算,建材熱阻值(綠建築標章計算資料),17,R值(m2/W),18,
5、隔熱計算,石膏板0.0706,總熱阻(R1+R2+R3+.)=0.11+0.086+0.0706+0.043=0.3096總熱傳係術U=3.23 W/m2 ,ASHRAE 建材資料庫,19,ASHRAE 建材資料庫,20,21,21/73,外牆 R 值計算案例(英制),U=1/R = 0.07 hr ft 2F/Btu = 0.07 x 5.678 = 0.397 W/m2 C,玻璃隔熱,22,熱傳=U (1/R) x 面積 x (內外空氣溫差),空氣層隔熱(R),23,空氣層隔熱,24,40cm,90cm,太陽輻射熱計算(簡要分析),25,太陽熱能強度,26,在大氣層外之太陽輻射，垂直強度約
6、為1367W/m2，穿過大氣層後減弱。以台灣地區而言，抵達地面時經過雲層平均約有600 W/m2。,太陽能超出能見光波長,27,能見光,紅外線占40%,對數座標,太陽輻射計算基礎,28,墻之角位 太陽高度角 天頂角 太陽方位角,偏角之計算,29,l 緯度h 時間角度(每小時15度)D 赤緯角,例 l=23o h=15o d=20.6oSin= 0.970,輻射偏差角度(Declination degrees)及ASHRAE Clear Sky Model常數(每月21日),30,ASHRAE Clear Sky Model,31,Normal direct irradiation法線日直射W/
7、m2,GND=1093/exp(0.186/0.970) =902W/m2,7月21日晴朗天空午時輻射強度高,A：當空氣質量為零時的地表面日射量(W/m2) ( apparent solar constant)B：大氣衰減係數(atmospheric extinction coefficient),ASHRAE Clear Sky Model,32,日散射,利用前例Gd = 0.138 x 902 = 125W/m2,C：水平面日散射與法向直達射熱的比值 (sky diffuse factor),非水平面之日散射,例垂直牆=90, Fws =1/2 Gd = 125 x 0.5 =62.5W/
8、m2,ASHRAE Clear Sky Model,33,輻射與表面法線夾角(入射角)之修正,例垂直入射 時入射角= 0,例入射角= 90度 GD = 0,G = G D + G d,計算例7 月 21日北迴歸線上,34,屋頂 日射角為 0度G = 902 + 125=1027W/m2 垂壁 日射角為90度G = 62.5 W/m2,入射角之計算,35, 牆傾斜角，水平屋頂為0度，垂壁為90度,：牆太陽方位角(度),：牆方位角(度)，以北為度，順時針方向繞。,：太陽方位角(度)(相對於北方位),牆面向西南方位角為225度如太陽方位角為180度時這面牆的方位角為45度,太陽方位角,36,例 7月
9、 21日 下午 1:00 d 赤緯角 = 20.6L 緯度 =23h 時間角度 15 太陽高度角,Sin= 0.970Cos=0.243,cos(太陽方位角) = (sin20.6 x cos23 - cos20.6 x sin23 x cos15) /0.243 = -0.121 太陽方位角 =187 (以北順時鐘),入射角計算例子(依前例),37,：牆方位角(度) = 180，以北為度，順時針方向繞。,：牆太陽方位角(度)=187-180=7,38,空調負荷熱平衡概論,39,熱平衡法(內外牆),牆內熱傳導,內外牆面太陽輻射，內外部輻射，及對流,40,內外牆熱平衡,j 外表面 j 內表面,4
10、1,一區之熱平衡(外牆),忽略熱儲存時,熱對流,外氣滲入,內部負荷之對流,空調機移除熱,42,外強穩態熱傳,內外溫差 x 總熱傳U值,43,外牆太陽輻射及熱對流,太陽輻射 外牆對流 熱對流係數計算(Yazdanian and Klems),44,熱對流係數計算,考慮熱儲存,45,暫態熱傳,利用傳導轉移函數(Conduction transfer function)-以前數小時迭代資料演算,46,由熱平衡發展出資料庫及計算方法,總當量溫差/時間平均法(TETD/TA)，TETD法利用太陽空氣溫度(Sol-Air Temperature) 觀念，考慮建築外殼的動態熱得現象；及包含了輻射熱所造成室內
11、家具之蓄熱與放熱等熱質量效應。傳遞函數法(TFM)，TFM以通過板壁的Z-傳遞函數係數(CTF)計算逐時的太陽輻射熱，配合房間傳遞函數模擬空間空調負荷。冷卻負荷溫差法(CLTD)/太陽冷卻負荷(SCL)，將TFM計算作成資料庫及表格，計算受日光照射的屋頂與牆壁的傳導溫差，以及計算玻璃得自太陽及室內熱源的冷卻負荷係數(CLF)ASHRAE近年發展輻射時間序列(RTS)，擬取代前方法，以週期反應係數取代了傳導傳遞函數， RTS是簡化方法，允許時間延遲效應，對尖峰冷卻負荷通常過度預測而不是過低預測,47,CLTD/CLF/SCL 方法簡要說明,直接計算逐時空調負荷已考慮建築體熱儲存,逐時開窗空調負荷
12、,48,CLTD/CLF/SCL 方法簡要說明,逐時內部負荷,49,CLTD例,Note: CLTD values are obtained for indoor temperature of 78 and outdoor temperature of 85.,輕結構凌晨時屋頂熱傳導往外 CLTD為負,50,CLF例,照明案例燈熄後尚有空調負荷,51,RTS法解析,52,52,空調負荷計算法RTS說明,RTS法有考慮各項建築之熱負荷，簡化輸入格式為其優點，以24小時之各項熱得迭代計算得到室內之空調負荷外牆屋頂隔熱性能分為不同等級，有不同之熱滲入分析。使用日-氣溫(sol-air tempera
13、ture)作為外部等效溫度，在計算負荷之前，先得知驅動暫態熱傳的外部溫度，外表面溫度、天空溫度、外氣溫度、風速等不必再去設定。RTS法中沒有室內表面熱平衡，週期反應係數取代了傳導轉移函數。RTS法無區域熱平衡，熱得分為輻射型與對流型，對流熱得直接計為空調負荷，輻射型熱得有部份熱儲存效應，需經RTSF(radiant time series factors)轉移成逐時之冷卻負荷。,53,53,RTS的計算流程,計算各外殼表面逐時的太陽輻射強度,計算各外殼表面逐時日氣溫度,計算逐時的 窗戶輻射熱得,計算逐時的窗戶傳導熱得,用PRF計算逐時的表面傳導熱得,計算逐時的燈具、人員、設備熱得,計算逐時的外
14、氣負荷,將 各 項 逐 時 熱 得 分 成 輻射 和 對流 兩 部 分,加總各項逐時對流熱得,將各項輻射熱得用RTS法計算後加總,= 總熱得,外殼表面逐時的太陽輻射強度,54,計算每面建築外殼，包括屋頂外牆與開窗逐時之Gt = GD + Gd,計算各外殼表面逐時日氣溫度,55,55,外表面之熱平衡(吸收輻射及對流-對大氣輻射散熱) 逐時日氣溫渡之定義為等效溫度te，故與外表面溫度之熱平衡為,56,計算各外殼表面逐時日氣溫度,故日氣溫度可推導為,外氣溫度,輻射吸收率,對大氣散熱之修正水平取3.9C垂壁取0C,對流係數,57,57,外表面熱傳導逐時計算( ),週期反應係數取代了傳導轉移函數，透過R
15、值將外牆隔熱性能分為不同等級，會有不同之熱滲入。經由此公式以24小時之熱得疊代能計算出傳導進入室內的熱量。 ：n小時前的() ：室內設計溫度() ：牆、屋頂的面積(m2) ：週期反應係數，透過選擇建材的R值來決定的。,58,牆與屋頂PRF週期反應係數,選擇最接近的的R值作為選擇所需的週期反應係數,選擇所需的週期反應係數,59,的判斷選用是依據使用者選擇的牆或屋頂材質所得到的總R值(W/m2C)來做判定，牆與屋頂R值的類型如下：牆1 R=3.18 屋頂1 R=0.94牆2 R=1.13 屋頂2 R=4.11牆3 R=4.36 屋頂3 R=1.5,內部負荷,60,燈及設備部份依實際狀況計算人員部份
16、參考如下,各種熱得輻射與對流之建議比例,61,外氣負荷,62,開窗輻射,63,逐時熱得公式如下,(Solar Heat Gain Coefficient of the frame)是框架太陽熱得係數,框架U值,64,框架表面太陽吸收率,65,太陽熱得係數( ， ),66,窗戶玻璃遮陽計算,67,67,SHGC = 0.87 x SC(shading coefficient, 遮蔽係數)因SHGC已考慮玻璃透熱率,水平遮陽PH,垂直遮陽PV,窗寬高WH,遮陰SW, SH,68,68,總輻射逐時熱獲得，RTS法( ),所有熱得必須被區分為對流和輻射，以輻射時間序列的係數（RTF）使用即時和先前的輻
17、射熱得計算冷房負荷，計算的公式如下所示： ：即時熱得 ：n小時前的熱得 ：第n個小時的輻射時間係數，查表得。,四種典型房間的輻射時間係數,69,輻射時間係數選擇,70,太陽輻射時間係數用於透過玻璃的太陽輻射熱得，非太陽型的輻射時間係數則用於其他的熱得。,R值可以來判別哪一種房間的類型,總對流逐時熱得,71,對流熱得 = 熱負荷,72,日氣溫度計算案例,73,外牆例子,R(Fft2hr/Btu)/5.678=R(m2C/W),74,屋頂例子,R(Fft2hr/Btu)/5.678=R(m2C/W),75,模擬建築案例,東區,中央內部,南區,北區,西區,模型1-開窗率30%無遮陽之RC構造標準建築
18、短邊30公尺長邊60公尺(長邊面北)，建築高度40公尺每層高4公尺，一共十層樓之建築。建築立面為帶狀開窗，窗高2m，其各向平均開口率為30%(相當於窗高1.2m)。平面尺寸及空調分區分東、西、南、北四區加上中央內部空調區一共五區之空調分區。,中央內部,76,模擬建築案例,模型2-開窗率30%遮陽1.0m之RC構造標準建築於建築外牆開口部玻璃部分設計水平1.0m外遮陽，其餘參數與模型1相同。,77,建築模型之材料性質,RC外壁構造(U=3.49W/m2K),RC構造屋頂(U=0.75W/m2K ),78,建築模型之材料性質,RC樓板構造(由內而外)(U=3.37W/m2K),不透光建材表面熱輻射
19、性質,可透光窗戶熱性質,79,空調負荷計算條件,一日室內人員變動情形人員密度以0.10人/m2為輸入值，人員一日變動的時間分佈如右上圖。一日照明時間分佈情形照明密度為20W/m2，其變動的時間分佈如右下圖。,80,空調負荷計算條件,一日機器發熱時間分佈情形設備發熱量密度為20W/m2，其變動的時間分佈如右圖。人體發散熱取一般辦公條件，顯熱為70 W/人、潛熱為60 W/人。新鮮外氣量由空調系統引入之新鮮外氣量，參考美國ASHRAE Standard 62.1，以一般之建議值8.5L/s作為新鮮外氣量之輸入標準。,81,空調負荷計算軟體認可標準程序,本研究參考採用ANSI/ASHRAE Std.
20、 140所揭櫫之方法，又因本研究主要為應用在最大負荷計算，因此本研究僅針對第一類程式計算進行驗證。提送審查認可之空調負荷計算軟體，須與美國能源部DOE-2程式比較，計算得之最高空調負荷差異應在10%以內。因申請認可軟體之審查共需經由兩個標準建築之空調負荷計算提供比較及作認可審查用，以平均計算差異作為審查標準。驗證軟體以及DOE 2程式皆採用ASHRAE Handbook 2005的台北市之外氣設計條件(0.4%發生率)：34.8db, 27.7wb, 88.5kJ/kg。,82,空調負荷計算軟體認可標準程序,RTS-1受驗軟體與DOE-2在兩個標準建築模型下之總平均差異百分比絕對值如下表所示，
21、RTS-1空調負荷軟體兩種模型與DOE-2之總平均差異百分比絕對值為2.2%，受驗結果為合格。,RTS-1最大空調負荷計算差異分析報表,83,辦公類建築負荷模擬解析,左圖建築案例為7月21日各項負荷之模擬值，可看出顯熱負荷佔總熱負荷比例約67 %，顯熱負荷包含牆壁、屋頂、玻璃、人員、燈具、設備等之相關熱負荷。潛熱負荷佔約6 %之總熱負荷，此部分只包含人員熱負荷。外氣負荷佔約27 %。,84,氣候區域對建築與空調負荷之影響,原模擬案例建築地點位於台北，現增加不同緯度及氣候條件之台中與高雄的氣象資料如下表所示，比較不同氣候區域對建築與空調負荷之影響。,台北、台中、高雄氣象資料設定條件表(資料來源:
22、ASHRAE Fundamental Handbook Ch28, 2005 edition),85,台北、台中、高雄最大空調負荷比較,台中7月21日逐時各項負荷圖,高雄7月21日逐時各項負荷圖,台北、台中、高雄7月21日最大空調負荷比較表,86,建築外殼構造對空調負荷之影響,假設在此建築之外牆構造為鋼筋混凝土外牆(U值=3.49W/m2K)基礎上，在外表面對流係數外加上一空氣層與花崗石，以此新外殼做研究。本研究以PRF/RTF Generator程式，得到新外殼(U值=2.197W/m2K)之週期反應係數(PRF, Periodic Response Factors)如右下表所示。,PRF/
23、RTF Generator程式輸入介面,新外殼之週期反應係數(PRF)表,87,台北、台中新舊外殼之負荷分析,台北新舊外殼之顯熱負荷分析折線圖,台中新舊外殼之顯熱負荷分析折線圖,台北新舊外殼之外殼負荷分析折線圖,台中新舊外殼之外殼負荷分析折線圖,88,高雄新舊外殼之負荷分析,kW,高雄新舊外殼之顯熱負荷分析折線圖,高雄新舊外殼之外殼負荷分析折線圖,89,改變建築外殼材質之結果討論,加上花崗石之原外殼由於多了一層空氣層與花崗石，增加外殼構造體的厚度及絕緣性，也降低了U值。在最大空調負荷方面平均可降低約5.51 %。我們將檢視範圍縮小至外殼負荷來看，由左下表發現降低外殼負荷之效果十分顯著，其結果也
24、使得建築物之最大外殼負荷平均降低了19.27%。,台北、台中、高雄新舊外殼之最大空調負荷比較表,台北、台中、高雄新舊外殼之最大外殼負荷比較表,90,建築開窗率對空調負荷之影響,以原模擬案例(開窗率為30%)做為基準。改變外牆開窗率由10%至50%，使其成為5個變因案例。,台北與原開窗率30%比較，最大空調負荷增減百分比直條圖,91,模擬開窗率結果-台中&高雄,台中與原開窗率30%比較，最大空調負荷增減百分比直條圖,高雄與原開窗率30%比較，最大空調負荷增減百分比直條圖,92,改變外牆開窗率之結果討論,台北、台中、高雄原設計開窗率30%與改變後之最大空調負荷增減百分比,93,室內溫度設定對空調負
25、荷之影響,以原模擬案例(室內溫度為26 )做為基準。改變室內溫度設定由24至28，使其成為5個變因案例。,台北與原室內溫度26比較，最大空調負荷增減百分比直條圖,94,模擬室內溫度結果-台中&高雄,台中與原室內溫度26比較，最大空調負荷增減百分比直條圖,高雄與原室內溫度26比較，最大空調負荷增減百分比直條圖,95,改變室內溫度之結果討論,台北、台中、高雄原設計室內溫度26與改變後之最大空調負荷增減百分比,96,建築方位對空調負荷之影響,以原模擬案例(長邊面北為0 )做為基準。改變建築方位，一次順時針旋轉45，由0至135 ，使其成為4個變因案例。,北區,東區,南區,西區,原建築方位之示意圖,9
26、7,三種方位旋轉示意圖,北區,北區,北區,東區,東區,東區,南區,南區,南區,西區,西區,西區,東區,西區,原建築方位旋轉45之示意圖,原建築方位旋轉90之示意圖,原建築方位旋轉135之示意圖,98,改變建築方位之結果討論,台北、台中、高雄原設計建築方位0與旋轉後之最大空調負荷增減百分比,99,外遮陽之有效長度分析,以原模擬案例做為基準。改變水平外遮陽長度，一次增加10公分，探討一公尺後的遮陽效果，以期找出最佳的遮陽長度。,台北各外遮陽長度比較，最大空調負荷分析折線圖,100,模擬各水平外遮陽長度結果-台中&高雄,台中各外遮陽長度比較，最大空調負荷分析折線圖,高雄各外遮陽長度比較，最大空調負荷
27、分析折線圖,101,RTS法討論,使用RTS方法進行空調負荷計算，其簡易之資料輸入，減少了因大量繁雜輸入造成的時間浪費，並且也維持負荷計算之準確度。RTS-1空調負荷計算程式為了更貼近台灣環境，可將台灣常用建材加入程式資料庫，且資料庫內容可隨使用者需求做變更，使負荷計算結果與實際情形更相符。RTS-1空調負荷計算程式也通過以DOE-2程式之負荷計算認可程序，計算得之最高空調負荷差異在10%以內。由RTS-1模擬分析可發現相同之建築設定，當氣候資料不同時負荷也不相同。台中最大空調負荷比台北約降低了3.5%；在高雄則與台北相差無幾。,102,空調負荷討論,使用RC外牆加上花崗石與空氣層之新外殼，U
28、值由3.49 W/m2K降至2.197 W/m2K。在最大空調負荷方面平均可降低約5.51 %，最大外殼負荷方面平均降低了19.27%，節能的效果十分顯著。開窗率的改變對空調最大負荷十分敏感，於空調節能的立場而言以低開窗率為佳，並儘可能降低建築東、西兩面之開窗率。在台北、台中、高雄三地室內溫度設定24時，每上升1對最大空調負荷皆約有4.73%的降低作用，實在為空調節能應用中最容易控制的因子。,103,空調負荷討論,研究案例為長寬比2:1的建築物，順時針依次旋轉45得到的3個變因案例得知，在台北、台中、高雄三地皆以旋轉135之最大空調負荷為最大旋轉90之最大空調負荷次之；旋轉45之最大空調負荷排第三。因此於空調節能的立場而言長邊以面向南、北方位為佳。在考慮建築美觀及遮陽實用性等情況下，當外遮陽長度為1.7M時，台北、台中、高雄三地之最大空調負荷下降之幅度皆少於3kW，因此選擇1.7M作為外遮陽之有效長度之極限。,104,北科大RTS1軟體操作計算演習,
